VirtualFlow | 大坝溃坝仿真

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大坝溃坝属于非正常、难于预料的突然事件。坝体或挡水建筑物发生溃决后，突然失去阻拦的水体以立波形式向前推进，其运动速度和破坏力远比一般洪水大，造成的灾害往往是毁灭性的。

大坝溃决可能是瞬间发生的，也可能是逐渐破坏的，取决于破坏原因和坝型。一般情况下，混凝土坝因浸顶或滑动而破坏是突然破坏，土石坝常常是逐渐破坏。溃坝计算可以分析当大坝发生溃决时，从溃口涌出的洪水对下游地区的影响程度、影响范围以及流速、流量、洪峰到达时间等相关信息，这些信息有助于合理确定堤坝或水库的相关设计标准，有助于制定下游地区的应急方案。

对于突然破坏大坝，库水突然释放产生的洪水波以起始流速、流量传播，它的锋面为立波，溃坝洪水的计算不需要考虑溃口的发展过程。

对于逐渐破坏大坝，当溃决过程很长时，水流的前锋没有冲击波，而且水流是逐渐发展的。溃坝模拟分为两步：第1步，分析大坝的实际溃口形成过程，第2步，演算溃口的泄洪过程线。

通用流体仿真软件VirtualFlow用于溃坝计算具有独特的优势：

IST网格技术，可实现导入CAD文件即可自动生成结构化网格，并且可根据分析需求对模型分块及局部加密，在保证精度的前提下，避免前处理部分大量重复性工作；

Level Set 界面追踪方法采用距离函数的零值面描述气液相界面，不需要界面重构，保证了界面的真实情况。

溃坝试验模拟及对比

案例基于Stansbyet al.（1998）试验[1]，溃坝过程采用通用流体仿真软件VirtualFlow进行模拟，模型设置如下图所示：

图1 Stansbyet al.（1998）试验模型设置

· 计算域为矩形，尺寸为[-1.5m,1.5m] *[0,0.15]　

· 网格分辨率为200*10个单元

· 初始状态下，水被限制在流域内(水库)，深度0.1m，由左侧的墙(x =-1.5m)和右侧的大坝(x = 0m)分隔，该区域其余部分充满空气

· 除应用对称条件的前边界和后边界外，所有边界设置为墙

图2为采用VirtualFlow软件模拟Stansbyet al.（1998）试验溃坝水流过程的计算结果，液面的演化过程直观地描述了溃坝水流的变化情况：

图2 Stansby et al.（1998）试验VirtualFlow仿真结果

将VirtualFlow模拟溃坝过程与Stansby et al.(1998)试验记录进行对比，如下图，其中蓝色代表某一时刻VirtualFlow软件的模拟结果，红色代表Stansby et al.(1998)试验记录数据，图（a）、（b）、（c）分别表示不同时刻 (t = 0.12s、t = 0.50s、t = 0.74s)水位剖面仿真与试验结果的对比。